汶川地震地形形变监测与分析
白贵霞1 ，程传录2 ，郭春喜2 ，王小瑞2 ，马新莹2
( 11 陕西省测绘局 ，陕西 西安 710054 ; 21 国家测绘局 大地测量数据处理中心 ，陕西 西安 710054)
摘要 : 地形形变监测与分析对于研究汶川地震对震区及青藏板块地形变化的影响有重要意义 。通过收集相关
监测点的汶川地震前后地形形变数据 , 采用统一模式进行数据处理 , 将震前与震后的形变监测成果归算到 I T R F2005 参考框架和 2008 . 363 (2008 年 5 月 12 日) 历元 ，计算得到震中区域的大地基准造成严重破坏 ，监测点 形变位错 ，水平位移量达 243 cm ，沉降量达 68 cm ，隆起量达 36 cm 。并对汶川地震地形形变监测进行分析 ，认为 位于“映秀镇 —北川 —青川”断裂带西侧块体呈现向东南方向移动并呈现隆起趋势 ；东侧块体向西北方向移动并 呈现下沉趋势 ；北侧块体向东北方向移动 ，南侧块体向西南北方向移动 ，块体两侧形成了明显挤压形态 。上述研 究为进一步揭示汶川地震产生的机理和龙门山断裂带的活动提供了良好基础 。 关键词 : 龙门山断裂带 ；汶川地震 ；形变监测 ；参考框架 中图分类号 : P227 文献标志码 : A 文章编号 : 167226561 (2010) 022*******
Analysis and Mon i toring of C rustal Def orm at i on
in W enchuan Earthqu a k e
B A I G ui 2xia 1 ,
C H EN G Ch u a n 2l u 2 , GU O Ch u n 2xi 2 , WA N G Xiao 2r u i 2 , MA Xi n 2yi n g 2
( 1 . S h aan x i B u rea u o f S u r ve y i n g a n d M a p p i n g , X i πa n 710054 , S h a a n x i , Chi n a ; 2 . Geo d et i c D at a P r ocess i n g Cent e r , S t at e B u r ea u o f S u r ve y i n g a n d M a p p i n g , X i πa n 710054 , S h a an x i , Chi n a )
Abstract : A n aly si s a n d mo n ito r ing of cr u st a l defo r m atio n a r e of signif ica n ce to st u dy t h e inf l u ence of Wench uan Eart hqua ke to t he topo grap hical change of i smical regio n a nd Qinghai 2Tibet Plat e . O brvatio n dat a of cr u stal defo r matio n befo re a nd af t er Wench uan Eart hqua ke in relat ed mo n ito ring st atio n s were collect ed. Ba d o n unifo r m mo del , t he dat a of mo nito ring of cr ust al defo r mat io n befo re a nd af t er Wench ua n Ea r t hqua k e w ere calculat ed to I T R F2005 ref e rence f ra me a nd 2008 . 363 epoch s ( May 12 , 2008 ) . The re sult sho wed t h at t h e geo detic dat um of ep icent er area wa s da maged rio usly ; t he defo r mat io n of mo nito ring st atio n s had b een defo r med a nd di slo cat ed wit h ho rizo nt al di sp lacement of 243 cm , t t lement of 68 cm and up lif t amo unt of
36 cm. In addit io n , defo r m at io n mo n ito r ing of Wench uan Ea r t h quake wa s di s cusd. The re s ult sho w ed t h at t h e we s t blo ck of “Yingxiuzhen 2Beich ua n 2Qingch ua n ”f a u lt zo n e had mo v ed to t h e so u t h ea s t a n d had t aken o n a n up lif t t rend ; t h e ea st blo ck had mo ved to t h e no rt hwest and had t a ken o n a d o w n wa r d t rend ; t he no rt h blo ck had m o v ed to t he no r t h ea st , t h e so ut h block had mo ved to t he so ut hwe st , b o t h side s of blo ck s fo r m ed a clear ext r u d ed shap e . The re sult s laid a solid fo undatio n fo r revealing t he mechani sm of Wench ua n Ea rt hqua ke a n d t h e mo v ement of Lo n gmen Mo u nt a in f a u lt zo n e .
K ey w ords : Lo ngmen Mo u ntain f au lt zo ne ; Wenchuan Eart h quake ; cr ustal defo rmatio n mo n ito r ing ; ref erence f r ame
着四川盆地西北缘底部切过 ，整个断裂带绵延长约
500 k m ，宽达 70 k m ，西南起自四川泸定附近 ，沿着
引言
0 龙门山断裂带[ 123 ] 位于扬子地块西北边缘 , 沿 北东方向延伸经汶川
、都江堰、北川 、阳平关 、勉县 收稿日期 : 2009210220
基金项目 : 地理空间信息工程国家测绘局重点实验室项目( 200839) 作者简介 : 白贵霞( 19642) ，男 ，河北正定人 ，高级工程师 ，从事大地测量理论与应用研究。E 2mail : ba i gx @so hu . co m
进入秦岭 ，呈现 45°角北东走向的深大断裂带 ，长期 构成中国东西两部分的重要地质分界线 ，重力上也 显示一个极为清楚的梯级带。龙门山断裂带是地 震多发地带 ,1657 年 4 月 21 日 ，爆发了有记录以来 最大的 6 . 2 级地震。此后 300 多年间 ，这条断裂带 再未发生超过 6 级的强震 ，一直是科学家们最为关 注的地带 。2008 年 5 月 12 日 14 时 28 分 ，断裂带 中部汶川县发生了 8 . 0 级大地震 ，波及中国大部分 地区 ，造成大量的人员伤亡和财产损失[ 426 ]
，引起了
映山红盆景大范围的地表变形。
监测网及布测情况
监测网由华东华中区域大地水准面精化陕西 省 GPS 控制网、川滇大地水准面精化四川省 GPS 控制网 、甘肃省 GPS 控制网及中国地壳运动观测 网络构成 (图 1 、2) 。
1 图
2 中国地壳运动观测网络区域网点分布
Fig. 2
R egional Distributio n Outlets of Crustal M ov ement O brv a tion N et w ork in China
图 3 汶川地震前后监测点观测统计
Fig. 3 O brv atio n St atistics of Mo nitoring Stations
B ef o re and Af t er Wenchuan E arthqua k e
(3) 龙门山断裂带 ：四川省测绘局于 2008 年开
展了川滇大地水准面精化项目 ，在 5 月 12 日之前 已在震区附近获得了大量观测数据 。四川省 GPS 的 B 、C 级网采用同步环模式观测 , 其中 B 级网观
测 231 5 h ,C 级网观测 12 h 。收集了龙门山断裂带
周边四川省 B 级网 16 个点 、C 级网 5 个点及 2 个
阿里运营区域 GN SS 连续运行站的震前观测资料。
图 1 监测点位分布
Fig. 1 Distributio n o f Mon i toring Points
1 . 1 震前资料情况
为了分析研究汶川地震地形形变情况 ，收集了
震前陕西汉中、甘肃陇南和龙门山断裂带周边的大 地控制点观测资料 (图 3) 。 (1) 陕西汉中 ：陕西省测绘局于 2005～2006 年
实施了陕西省 GPS 的 B 、C 级网项目 ，其中 ，陕西汉 中 GPS 控制网于 2006 年 5 、6 月观测 , GP
S 的 B 级 网和 C 级网采用同步环模式观测 ,B 级网观测 3 个 时段 ，每时段 231 5 h , C 级网观测时间长度为 8 ～
24 h 。收集到陕西汉中 11 个 GP S 控制点的观测数 据和结果资料。
(2) 甘肃陇南 ：甘肃省测绘局于 2005 年实施了 甘肃省 GPS 的 C 级网及大地水准面精化项目 , 收 集了甘肃陇南地区 9 个 C 级网点的成果 ，观测时间 为 2005 年 12 月。
(4) 中国地壳运动观测网络工程 : 中国地震局、
国家测绘局及中国人民解放军总参谋部测绘局实 施了中国地壳运动观测网络工程 ，其中 2007 年 3～
7 月在龙门山断裂带、陕西南部及甘肃南部进行了
健身房减脂
区域网观测 ，观测时间长度为 3 d ³24 h ，此次收集
到 145 个点的观测数据。
1 .
2 震后资料情况 根据已收集到的震前观测资料情况 ，国家测绘
局组织有关部门对陕西南部 、甘肃南部及龙门山断 裂带周边等重点区域的大地控制点进行了野外测
量。在龙门山断裂带周边地区选取了四川省GP S 控制网21 个点，陕西南部选取了陕西省GP S 控制网11 个点，甘肃南部选取了甘肃省GP S 控制网9 个点，使用GPS 双频接收机与扼流圈天线进行了同步观测，观测时间长度为2 d ³24 h , 获得了41个大地控制点的震后观测数据。与此同时，中国地震局在龙门山断裂带及周边地区进行了区域网观测，观测时间长度为3 d ³24 h ，此次收集到145 个点的震后观测数据(图3) 。
主要参数设置:
卫星轨道: I GS 精密星历，且固定; 卫星截至高度角:15°；数据采样间隔:15 s ；对流层改正模型: 采用Saa st a m oi ne n 模型进行标准气象改正; 观测值：采用消除电离层后的组合观测值; 坐标约束: GPS 连续运行站给予2～3 个中间误差的约束; 数据解算模式：周跳自动修复技术。
2 .2 选择框架点
汶川周边大地控制点形变监测数据分析的关键是选择稳定的基准点。为此分析了汶川周边地区的全球I GS 站数据，最后选取巴林(B A H R) 、中亚( KI T3) 、关岛( GU A M) 、新加坡( N T U S) 、日本( U SU D) 、俄罗斯( IR K T) 、上海( S H A O) 及乌鲁木齐( U RU M) 8 个稳定的I GS 站为基准站，分析中国GPS 基准站的稳定性。
首先利用中国GP S 基准站的基线解文件, 合并了每周7 d 的协方差阵文件，在合并文件的基础上进行多年成果的联合处理和平差，得到了周解坐标时间序列。通过时间序列可看出各基准站点位
运动特征信息，同时为进一步细化点位在水平方向的运动变化，将坐标时间序列在北、东方向上进行分解，称之为坐标分量时间序列, 图4 为1999 ～2008 年泸州和咸阳GP S 基准站各方向位移量随时
2 数据处理方案与框架点
2 .1 数据处理方案
利用震前和震后两期观测数据，采用同一参考
框架与历元和统一的数据处理模式，计算两期成果
之差，得到大地控制点的位错，以此研究大地控制
点的形变问题[ 728 ] 。
数据处理采用G A M I T/ G L OB K 软件，利用国
际GP S 服务跟踪( I GS) 精密星历，估计卫星钟差、
接收机钟差、电离层与对流层延迟、卫星和接收机
天线相位中心等各种改正，以中国及周边地区I GS
站为框架点，估计其坐标和速度场，选择I T R F2005
参考框架[ 9214 ] 和2008 . 363 (2008 年5 月12 日) 参考
历元进行数据处理。
图4 泸州和咸阳GPS 基准站北、东、天顶方向位移量随时间变化
F ig. 4 T im e2v ariatio n of Disp lac ement in N orth , E ast and Z enith Directio ns f o r Luzhou and X iany ang
G P S R eferenc e St atio ns
间变化分布状况。
汶川地震中 , 离震中最近的泸州和咸阳 GP S 基准站的坐标分量变化 ，其中泸州站在震后的 4 周
内坐标北分量与震前有 11 mm 左右的变化 , 坐标 东分量与震前也有 6 mm 左右的变化 。咸阳 GP S 基准站坐标北分量的变化幅度也达到了 4 . 5 mm 。 表 1 给出了中国部分 GP S 基准站震后位移量。
从 总体上看中国 GP S 基准站的连续运行保持了良好 的稳定性 ，虽有地震引起的跳变 ，但是在量级上对 于坐标框架整体上影响不大。
表 1 中国部分 GPS 基准站地震后位移量
表 2 框架点坐标精度统计
T a b . 2 Coordinate F ra m e Prec i sio n Stat i st i cs
统计项 北方向误差 东方向误差 天顶方向误差
最小值/ mm
最大值/ mm 平均值/ mm
0 . 8
1 . 3
1 . 0
0 . 9
1 . 3
1 . 1
3 . 2
7 . 9
4 . 0
表 3 形变监测点在汶川地震前后精度统计
T a b. 3 Precisio n Statist ics of Def o rmatio n B ef o re and
Af t er the Wenchuan E arthqua k e in Monitoring Stations 项目
汶川地震前
汶川地震后
北方向 误差 东方向 误差 天顶方向 误差 北方向 误差 东方向 误差 天顶方向
误差
统计项
T a b. 1 Disp lacement of P art GPS R ef e rence St ations
Af t er the E arthqua k e in China
最小值/ mm 最大值/ mm
平均值/ mm
0. 5
0 . 6 2 . 2 0 . 2 0 . 3 1. 0 位移量/ mm 至震中
距离/ k m
站名 1. 9 2 . 7 14 . 5 6 . 7 23 . 3 45. 3 北方向
东方向
0. 8
0 . 9
3 . 9
木瓜如何吃1 . 2
1 . 5
6. 6
泸州
咸阳、下关、昆明
武汉 拉萨 广州 北京 长春
310 11 . 5 - 5 . 6 (1) 南北方向位移量最大值为1011 0 c m , 最小
值为 - 371 9 cm ；东西方向位移量最大值为 681 4 cm , 最小值为 - 2371 9 cm ; 天顶方向沉降量最大值为
321 4 cm ，最小值为 - 671 5 c m 。位移量最大的点是
H035 (北川) , 达 2421 5 c m , 沉降量最大的点也是房地产法律法规
H035 (北川) ，达 671 5 c m 。
650
4 . 5
- 1 . 0
1 000 1 200 1 300
1 500
2 . 4 4 . 0 2 . 6
人物形象分析1 . 3 -
2 . 5 - 4 . 4 - 4 . 5
-
1 . 5 2 400
1 . 0
- 0 . 4
g表示的物理意义(2) 位移量大于 100 c m 的是 G122 ( 小金山) 、
经分析 ，汶川周边地区西宁、盐池 、西安 、郑州、
武汉及昆明等 6 个比较稳定的 GP S 基准站作为汶
川地震地形形变监测的框架点 。
2 .
3 确定框架点坐标
基于全球 I G S 站和国内 GPS 基准站的基线解文
件(不含 5 月 12 日数据) ，在巴林、中亚、关岛、新加
坡、日本、俄罗斯、上海及乌鲁木齐等 8 个全球 I G S 站的控制下 ，求得西宁、盐池、西安、郑州、武汉及昆 明等 6 个 GPS 基 准 站 的 I TRF2005 参 考 框 架、 20081 363历元的坐标 ，以此作为框架点的起算坐标。
3 结果分析
3 . 1 精度统计
由表 2 、3 可 知 , 水 平 分 量 精 度 平 均 值 优 于 ±21 0 mm ，垂直分量精度平均值优于 ±7 mm , 但
个别点精度较差 ，分别是甘肃地区的 D S 30 点和陕 西岐山境内的 D073 点 ，主要原因是周边植被遮挡 较多 ，造成观测条件较差 。 3 . 2 结果统计
利用震后与震前处理结果之差得到形变监测
点的位移量 (图 5) 。从统计结果可知 :
H044 ( 绵竹) 、H010 ( 青川) 、G126 ( 甘家包) 、H 049
(都江堰) 、H 033 ( 南坝) 及 H 035 ( 北川) 点 , 主要分
布在北川、安县、绵竹、平武、江都和青川地区 ; 沉降
量大于 10 c m 的是 H 035 ( 北川) 、H 033 ( 南坝) 、
G126 (甘家包) 、G122 ( 小金山) 、G246 ( 香积寺) 、
H050 (卧龙) 及 H 049 ( 都江堰) 点 , 主要分布在北
图 5 位移量和沉降量较大的监测点分布
Fig. 5 Distributio n o f M on i toring St ations in w hich
the Disp lacement an d Settlement w ere Larg e
川、安县、绵竹、平武和都江堰地区。 3 . 3 形变分析
3 . 3 . 1 水平位移分析
从监测点位移 ( 图 6) 可知 : ①位移量较大监测
点主要分布在以“映秀镇 —北川 —青川”为轴心 、呈
后勤人员现 45°夹角的长带上 ; ②以“映秀镇 —北川 —青川”
为界线 ，西侧块体上的监测点向东南方向运动 , 而 东侧块体上的监测点向西北方向运动。 向东缓慢
流动 ，在高原东缘沿龙门山构造带向东挤
压 ，遇到四川刚性地块的顽强阻挡 ，造成构造应力
能量的长期积累 ，最终在龙门山“映秀镇 —北川”地
区突然释放。断裂带东西两侧的相互作用通过监
测点的位移量和方向得到了非常好的呈现。
从图 8 可知 ，位移量超过 5 c m 主要分布在以
“映 秀 镇 —北 川 —青 川 ”为 轴 心 呈 椭 圆 状 , 约
150 000 k m 2 ，位移量最大值分布在北川。
图 8 位移量等值线
Fig. 8 Disp lacement Iso l i ne
3 . 3 . 2 沉降分析
从图 9 、10 可知 : ①沉降量较大的监测点主要
分布在以“映秀镇 —北川 —青川”为轴心的 45°夹
角的长带上 ; ②“映秀镇 —北川”断裂带呈现沉降
趋势 ，沉降量大于 5 cm 的区域约 32 000 km 2 , 沉 降量最大值分布在北川 , 而青川周边呈现隆起趋
势 ，隆起量大于5 cm 的区域约 12 000 km 2
; ③
“映 秀镇
—北川 —青川”断裂带西部块体呈现隆起趋 势
，而东部块体呈现沉降趋势 , 但是幅度不大 , 在 厘米量级 。 图 6 监测点位移矢量
Fig. 6 Displacement V ector o f Mo nito ring Stations
利用 监 测 点 的 位 移 矢 量 数 据 , 采 用 克 里 金
( Kri g i n g) 模型内插生成汶川地震块体运动矢量图
(图 7) 。从图 7 可知 “, 映秀镇 —北川 —青川”断裂 带西侧块体上的物质向东南方向运动 ，东侧块体上 的物质向西北方向运动 ，块体两侧形成了明显挤压 形态 ，且东侧位移的量级更大 ，导致断裂带北端青 川周边的物质向北东方向运动 ，而断裂带南端的物 质则向南西方向运动。分析其原因是印度板块向 亚洲板块俯冲 ，造成青藏高原快速隆升 , 高原物质
图 7 汶川地震块体运动矢量
Fig. 7 M otio n V ector of Wenchuan E arthqua k e B lock
图 9 监测点沉降
Fig. 9 Settlement of Mo nitoring Statio ns
